¿Qué es el almacenamiento en bloques?

El almacenamiento de bloques es un método de almacenamiento de datos que divide la información en unidades de tamaño fijo llamadas bloques, cada una asignada a un identificador único. Cada bloque, que se utiliza habitualmente en entornos SAN, iSCSI y de disco local, puede funcionar como un volumen de almacenamiento independiente.

Un estudio del sector prevé que la capacidad global activa de los centros de datos aumente seis veces entre 2025 y 2035. Las aplicaciones que dependen de bases de datos, máquinas virtuales y procesamiento transaccional exigen un almacenamiento que responda en microsegundos, no en milisegundos. Los enfoques tradicionales basados en archivos suelen introducir sobrecargas que ralentizan el rendimiento a escala. 

El almacenamiento de bloques satisface estas demandas de manera directa. Este método de almacenamiento de datos divide la información en unidades de tamaño fijo llamadas bloques, cada una asignada a un identificador único. A diferencia del almacenamiento de archivos, que organiza los datos en directorios jerárquicos, o el almacenamiento de objetos, que empaqueta los datos con Metadata enriquecidos, bloquea el almacenamiento y elimina todo, excepto los datos brutos y una dirección mínima. El resultado es una arquitectura esbelta y de alto rendimiento optimizada para la velocidad. 

Debido a que cada bloque funciona como un volumen de almacenamiento independiente, los sistemas operativos los tratan del mismo modo que tratan un disco duro conectado localmente. Esto hace que el almacenamiento de bloques sea la base de las redes de área de almacenamiento (SAN), las instancias de computación en la nube y prácticamente cualquier carga de trabajo en la que la baja latencia y el alto rendimiento no sean negociables.

¿Cómo funciona el almacenamiento de bloques?

Con el almacenamiento de bloques, cada bloque contiene una cantidad específica de datos, normalmente de 256 KB a 4 MB. Cada bloque representa una parte de un archivo que no está organizada siguiendo ningún orden jerárquico concreto. De hecho, los datos que están en bloques contiguos pueden no tener nada que ver unos con otros.

Cada bloque tiene su propio identificador único —una dirección de bloque lógica (LBA)— que lo diferencia de otros bloques. Cuando hay que recuperar un archivo, una aplicación envía una solicitud y el sistema de almacenamiento consulta una tabla de búsqueda que asigna la dirección de cada bloque a su ubicación física. Los bloques relevantes están ubicados, posiblemente en múltiples dispositivos, y se vuelven a montar en el orden correcto. Todo el proceso es transparente para la aplicación.

Aparte del identificador, los bloques no contienen ningún metadato. Debido a la ausencia de metadatos, el almacenamiento de bloques es muy eficiente, ya que casi toda la capacidad de almacenamiento del bloque contiene datos reales. No se desperdicia espacio. Esto hace que el almacenamiento de bloques sea ideal para las cargas de trabajo que necesitan un escalamiento vertical rápido y un rendimiento veloz de lectura y escritura.

Protocolos de almacenamiento

Los dispositivos de almacenamiento de bloques se comunican con los servidores mediante varios protocolos:

• Fibre Channel (FC) Un protocolo de estructura dedicado y de alta velocidad que proporciona un caudal de hasta 128Gbps. FC sigue siendo el estándar para los entornos SAN de misión crítica, en los que el rendimiento y la fiabilidad son primordiales.
• iSCSI: Encapsula comandos SCSI en paquetes TCP/IP, lo que permite el acceso al almacenamiento de bloques a través de redes Ethernet estándar. Más asequible que FC, con opciones de 10/25/100 GbE que cierran la brecha de rendimiento.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): Amplía la arquitectura de baja latencia y gran profundidad de cola de NVMe en todos los tejidos de red, proporcionando un rendimiento casi local para el almacenamiento compartido.
• Canal de fibre channel a través de Ethernet (FCoE): Converge el tráfico FC y Ethernet en una sola red, reduciendo la complejidad de la infraestructura y manteniendo al mismo tiempo la fiabilidad a nivel FC.

Almacenamiento de bloques frente al almacenamiento de archivos frente al almacenamiento de objetos

El almacenamiento de bloques sobresale cuando las aplicaciones requieren un acceso directo y de bajo nivel a los volúmenes de almacenamiento con un rendimiento previsible. El almacenamiento de archivos tiene más sentido para los flujos de trabajo de colaboración compartidos. El almacenamiento de objetos es la opción preferida para los datos no estructurados a gran escala —piense en los archivos de medios, las copias de seguridad y los conjuntos de datos de entrenamiento de IA—.

Muchas empresas usan las tres. Un entorno típico puede ejecutar bases de datos en el almacenamiento de bloques, compartir archivos de proyecto a través del NAS y archivar datos fríos en un almacén de objetos.

Ejemplos de almacenamiento de bloques

Directamente utilizado por un sistema operativo y disponible como volúmenes, el almacenamiento de bloques puede llevar a cabo una amplia variedad de tareas. De hecho, el almacenamiento de bloques es el tipo de almacenamiento más popular de la mayoría de las aplicaciones.

Estos son algunos de los casos de uso populares del almacenamiento de bloques:

• Almacenamiento de bases de datos: una base de datos suele contener muchas tablas, que son a su vez colecciones de datos. El uso de los archivos de bloques para almacenar esos datos es ideal, porque estos permiten un acceso rápido a los datos. Como la velocidad es crítica para una base de datos, organizar los datos en bloques es la mejor solución.
• Recuperación ante desastres: si se produce un desastre, muchas veces hay que restaurar los datos a partir de copias de seguridad. Las organizaciones suelen usar el almacenamiento de bloques para crear copias de seguridad a nivel de bloque de los datos. Esto permite restaurar los datos rápida y fácilmente, sin tener que realizar una restauración larga de los archivos individuales.
• Aplicaciones de misión crítica: las aplicaciones de misión crítica, como Oracle, Microsoft Exchange, SAP y Microsoft SharePoint necesitan una disponibilidad y una fiabilidad altas. El uso del almacenamiento de bloques puede ayudar a garantizar que estas aplicaciones estén siempre disponibles, debido al rendimiento rápido de lectura/escritura de este tipo de almacenamiento.

Ventajas del almacenamiento de bloques

Como cualquier otra tecnología, el almacenamiento de bloques tiene sus pros y sus contras. Dicho esto, las ventajas del almacenamiento en bloques son claras: Es el más adecuado para un alto rendimiento y un acceso rápido a los datos.

Estas son las ventajas clave de usar el almacenamiento de bloques:

• Baja latencia y IOPS altas: Las modernas cabinas de almacenamiento de bloques totalmente flash proporcionan unos tiempos de respuesta inferiores a 150 microsegundos y pueden soportar millones de IOPS. Esto es fundamental para las aplicaciones sensibles a la latencia, como las plataformas de comercio financiero, las analíticas en tiempo real y los registros médicos electrónicos sanitarios.
• Capacidad para realizar cambios incrementales: Con el almacenamiento de bloques, es posible cambiar un archivo sin tener que eliminar todos los datos actuales, como lo haría con un sistema de archivos tradicional. Por ejemplo, puede realizar cambios sustituyendo, borrando o insertando bloques. Esto lo hace ideal para los archivos que se actualizan con frecuencia, como los que se utilizan en las bases de datos.
• Independencia del Operating System: Los volúmenes de bloques se pueden formatear con cualquier sistema de archivos —NTFS, ext4, XFS, ZFS—, lo que hace que el almacenamiento de bloques sea compatible con Windows, Linux y otros entornos simultáneamente.
• Alta disponibilidad: Los sistemas de almacenamiento de bloques suelen usar cabinas RAID, replicación síncrona y agrupación activo-activo para eliminar puntos únicos de fallo y mantener el tiempo de actividad durante los fallos de hardware.

Desventajas del almacenamiento de bloques

Por supuesto, el almacenamiento en bloques también tiene sus inconvenientes. No hay duda de que puede ser más caro que otras formas de almacenamiento y puede que no sea la mejor solución para todas las cargas de trabajo.

Estas son algunas de las desventajas del almacenamiento de bloques:

• Mayor coste: La infraestructura de almacenamiento de bloques, en especial las SAN de fibre channel, requiere hardware especializado, incluidos HBA, conmutadores FC y cableado dedicado. El almacenamiento de bloques en la nube también suele costar más por GB que las alternativas de objetos o archivos. el almacenamiento en bloques puede resultar más caro que otras formas de almacenamiento. Por ejemplo, las SAN pueden tener un precio de compra caro y ser costosas de mantener.
• Complejidad de la gestión: La configuración y el mantenimiento de las SAN, el enmascaramiento LUN, la zonificación y las I/O multirruta requieren conocimientos especializados. Las organizaciones sin administradores de almacenamiento dedicados pueden considerar que la sobrecarga operativa es significativa.
• Metadatos limitados: Los Metadata mínimos del almacenamiento de bloques hacen que sea difícil buscar o clasificar datos en la capa de almacenamiento. Las aplicaciones deben gestionar los Metadata de manera independiente.
• Techos de escalabilidad para los datos no estructurados: Si bien el almacenamiento de bloques se escala bien para las cargas de trabajo estructuradas, es más difícil de administrar a escala de petabytes. El almacenamiento de objetos suele ser más rentable para los conjuntos de datos no estructurados masivos.

Mejores prácticas de implementación

Para implementar el almacenamiento de bloques de manera efectiva es necesario planificar el rendimiento, la disponibilidad y el crecimiento:

1. Evalúe primero los requisitos de las cargas de trabajo. Asigne el perfil de I/O de cada aplicación —aleatorizado frente a secuencial, con un alto volumen de lectura frente a con un alto volumen de escritura, sensibilidad a la latencia—. Esto determina si la conectividad FC, iSCSI o NVMe-oF tiene sentido.
2. Diseñe la redundancia desde el principio. Implemente la protección RAID, I/O multirruta y las configuraciones SAN de doble tejido. Para las cargas de trabajo críticas para la empresa, considere la replicación activo-activo en todos los centros.
3. Ajuste correctamente sus volúmenes. El sobreaprovisionamiento desperdicia capacidad y presupuesto. El aprovisionamiento insuficiente crea cuellos de botella. Las plataformas modernas con thin provisioning y una reducción de datos (desdoblación y compresión) ayudan a optimizar la capacidad efectiva.
4. Planifique el crecimiento con el almacenamiento por niveles. Nivele las cargas de trabajo de alto rendimiento en el flash NVMe y los datos de menor prioridad en los medios optimizados para la capacidad.
5. Automatice cuando sea posible. Utilice las API de administración del almacenamiento, las herramientas de infraestructura como código y las plataformas AIOps para reducir la configuración manual y acelerar el aprovisionamiento.

El futuro del almacenamiento de bloques

El almacenamiento de bloques sigue evolucionando junto con las cargas de trabajo que soporta. Varias tendencias están dando forma a su trayectoria a corto plazo:

• La adopción de NVMe-oF se está acelerando. A medida que los centros de datos se actualizan a tejidos de 25/100/400 GbE, NVMe over Fabrics sustituye los protocolos tradicionales para nuevas implementaciones y proporciona un rendimiento NVMe casi local a distancias de red.
• Las plataformas de almacenamiento unificado están difuminando las líneas. Las cabinas modernas ahora proporcionan almacenamiento de bloques, archivos y objetos desde una única plataforma, lo que elimina la necesidad de administrar silos separados.
• Los modelos de storage-as-a-service están ganando terreno. Los precios basados en el consumo para el almacenamiento de bloques local eliminan los grandes gastos de capital y alinean los costes con el uso real.

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No es ningún secreto que la importancia de los datos aumenta día a día, pero las soluciones de almacenamiento tradicionales ya no pueden seguir este ritmo de crecimiento. No solo son lentos y poco fiables, sino que también pueden ser caros.

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• Portabilidad: las unidades de estado sólido (SSD) son mucho más pequeñas que las unidades de disco duro (HDD) tradicionales, así que la memoria flash tiene una ventaja en cuanto a la relación entre espacio y capacidad.
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